Свет миллиарда солнц: как ускорители частиц раскрывают загадки истории

Профессор Эндрю Харрисон, генеральный директор британского синхротрона Diamond Light Source (DLS), рассказал о том, как современные ускорители частиц помогают открывать не только тайны мира частиц, но и разгадывать загадки истории Древнего Египта и Англии, а также позволяют понять, почему взрываются батарейки в телефонах и как возникают различные болезни.

В начале октября этого года в Москве и ряде других городов России прошел всероссийский фестиваль "Наука 0+", в рамках которого ведущие российские и зарубежные ученые рассказывали публике о последних научных открытиях и достижениях. Профессор Харрисон, бессменный руководитель проекта DLS, одного из крупнейших ускорительных центров в Европе, объяснил, как современные ускорители частиц находят применение не только в "физике", но и в "лирике". 

"Когда мы впервые включили наш ускоритель, он сразу стал самым ярким объектом в Солнечной системе — яркость вырабатываемых им пучков превышает силу свечения Солнца примерно в 10 миллиардов раз. Этот свет помогает сегодня заглядывать в самые небольшие и темные уголки микро- и макромира и раскрывать тайны любых форм материи", — начал свой рассказ ученый.

Синхротрон DLS является одним из самых "молодых" и мощных ускорителей частиц — его постройка была завершена только в 2007 году, когда его кольцо и установленные в нем магниты начали разгонять первые пучки электронов и использовать их для порождения сверхмощных и "кучных" импульсов света.

Как и многие другие установки подобного рода, DLS вырабатывает в основном не видимый свет, а очень яркие пучки рентгеновских волн, которые ученые используют для получения максимально четких фотографий молекул и других структур чрезвычайно малых размеров.

Как возникают эти пучки света? Дело в том, что кольцо DLS и других синхротронов имеет не идеально круглую форму — в нем есть несколько сегментов с очень крутыми поворотами и изгибами, которые ученые называют ондуляторами. Когда пучок частиц, движущихся со скоростью света, проходит через эти повороты, порождаемые специальными магнитами, электроны начинают тормозить, что заставляет их вырабатывать мощнейшие пучки рентгеновских фотонов и частиц света меньшей энергии.

"Это излучение, которое мы называем синхротронным, изначально считалось крайне неприятным побочным эффектом, мешавшим разгону электронов до околосветовых скоростей в первых ускорителях частиц. Сегодня мы создаем специализированные установки, подобные нашему DLS, чтобы производить это "паразитное" рентгеновское излучение", — продолжает ученый.

Дело в том, что примерно полвека назад физики осознали, что это излучение, обладающее невероятно высокой яркостью и "кучностью", можно использовать для того, чтобы следить за движением электронов внутри атомов и преобразовать эти данные в очень четкие фотографии крупных молекул.

Атомный "полароид"

Позже ученые поняли, что такая методика наблюдений может использоваться не только для химических и физических экспериментов, но и для самых разных целей — получения трехмерных фотографий клеток и вирусов, оценки прочности и изучения свойств различных строительных и композитных материалов, а также раскрытия различных загадок истории и геологии.

"К кольцу нашего ускорителя сегодня подключено примерно три десятка различных детекторов и устройств, подавляющее большинство которых не имеет никакого отношения к физике или к фундаментальной науке вообще", — объясняет Харрисон.

Высокая яркость и когерентность излучения, вырабатываемого DLS, как отмечает гендиректор DLS, позволяет получать уникальные изображения, которые раньше считались фантастикой: трехмерные фотографии органов, к примеру глаза мухи, карты распределения различных веществ в мозге человека, связанных с болезнями Паркинсона и Альцгеймера, и многие другие вещи. И большим дополнительным бонусом является то, что все эти снимки можно получить буквально за секунду, тогда как раньше на это требовались дни или даже месяцы.

"Первые подобные опыты осуществила Розлинд Франклин, одна из первооткрывательниц ДНК, более 50 лет назад. Она и нобелевские лауреаты Френсис Крик и Джеймс Уотсон потратили несколько лет на получение первых четких фотографий спирали ДНК. Современные источники рентгена примерно в миллион раз ярче, чем те, что были доступны Франклин, благодаря этому мы можем получить фотографию ДНК меньше чем за секунду, причем сможем увидеть все атомы в ее молекуле", — продолжает Харрисон.

Развитие ускорителей и компьютеров, обрабатывающих их данные, позволяет применять подобные установки для самых разных исследований, в том числе и достаточно необычных или просто забавных. К примеру, недавно физики, работающие с DLS, проследили за тем, что происходит внутри аккумуляторов одного из последних телефонов компании Samsung, и выяснили, что именно заставляет их спонтанно взрываться и как эту проблему можно устранить.

"Особенно интересными и важными для нас в последнее время стали две совсем далекие от физики вещи — археология и искусство. Одним из плюсов наших ускорителей является то, что синхротронное излучение не разрушает объект, но позволяет нам заглянуть внутрь него и понять, что в нем содержится, как он был изготовлен или как он устроен, что является бесценным знанием для археологов, историков, искусствоведов и реставраторов", — говорит Харрисон.

Потерянные страницы истории

К примеру, недавно британские археологи смогли получить фотографии монет, содержавшихся в запечатанной коробке времен владычества Древнего Рима, не открывая ее, а также прочитать обгоревшие папирусы из Помпей и многие другие древние документы, следы чернил на которых стали невидимыми для глаза человека.

"Многие старые здания и замок Эдинбурга построены из особого красного песчаника, имеющего очень необычный внешний вид. Этот минерал быстро разрушается под действием морской воды и морского воздуха, и недавно реставраторы попросили нас помочь подобрать материал, который бы не страдал от подобных явлений. Мы просветили фрагменты песчаника и выяснили, как можно защитить эти постройки от дальнейшей деградации", — рассказывает ученый.

Аналогичным образом можно исследовать и более "нежные" памятники культуры и искусстваю. Так, например, DLS и другие синхротроны помогли реставраторам и художникам понять, почему знаменитая фреска "Раны христовы" начала чернеть после очистки от копоти, а также найти очередной портрет кисти Ван Гога, спрятанный в холсте картины "Лоскут травы".

Кроме того, рентгеновское излучение помогло искусствоведам выяснить, почему картины знаменитого британского живописца Уильяма Тернера начали выцветать и деградировать, а также проверить честность скульпторов и художников времен Возрождения, чьи работы выставлены сегодня в Эрмитаже в Санкт-Петербурге.

"Ренгтен позволил нам открыть одну из самых интересных страниц в истории Древнего Египта. Древние египтянки, как показывают исследования историков, пользовались различными белилами и тенями, и недавно мы узнали их химический состав. Оказалось, что они содержали в себе огромное количество соединений свинца, не существующих в природе, которые, по всей видимости, изначально производились в медицинских целях и лишь потом начали применяться в качестве косметики", — продолжает ученый. 

Эти белила и тени, как отмечает ученый, не были безопасными для здоровья — аналогичное увлечение, распространенное среди знатных британских дам в XVII-XVIII веках, породило расхожее представление о том, что все женщины высокого происхождения обладают крайне хрупким здоровьем.

Тем не менее египтяне почему-то не отказывались от такой косметики и завозили сырье для ее производства, как показал спектр этих белил, из Афганистана, что стало еще одной новой исторической загадкой, которую, как надеются ученые, им помогут разгадать самые яркие источники света в Солнечной системе.

— Профессор Хариссон, первые ускорители частиц появились в Советском Союзе больше 60 лет назад, однако они начали использоваться в "нефизических" целях лишь в последние 15-20 лет. Почему?

— Я думаю, это связано с тем, что примерно в это же время возникла необходимость продемонстрировать, что подобные установки и проводимые на них научные исследования могут быть полезны для общества. Думаю, что растет тенденция показывать общественности, что наука, которой мы занимаемся, имеет множество практических применений.

Конечно же, мы продолжаем поддерживать фундаментальные научные исследования, но наше финансирование сегодня все больше основывается на необходимости показывать пользу исследований для общества. Как мне кажется, это происходит и в других странах. Есть ощущение того, что наука сегодня должна не просто искать ответы на глубокие, почти что философские, вопросы, но и улучшать жизнь общества.

Сам же рост популярности синхротронов и расширение сферы их использования, как мне кажется, связаны с тем, что результаты всех подобных опытов можно увидеть, как говорится, своими глазами. Нам не нужно прикладывать больших усилий, чтобы убедить кого-то в том, что синхротрон может быть полезным. Когда люди приходят к нам и видят то, что мы делаем, они сами загораются этой идеей.

— В последние годы появилось множество новых синхротронов и ускорителей частиц — в Германии был недавно запущен проект XFEL, два подобных ускорителя строятся сегодня в Петербурге и в Московской области, другие типы синхротронов сооружаются в Китае. С чем это связано?

— Как мне кажется, это опять же связано с тем, что синхротроны служат универсальным инструментом для проведения самых разных научных исследований. Подобные установки в силу своих размеров и стоимости являются типичным представителем "большой  науки", однако они поддерживают и позволяют существовать десяткам и сотням научных проектов меньших размеров.

Одного синхротрона, несмотря на его большую стоимость, должно хватить для того, чтобы он мог обслуживать все научное сообщество. И если он будет обслуживать научное сообщество, а не только узкие научные интересы одного конкретного исследовательского института, тогда его постройка будет более чем выгодной и с финансовой, и с практической точки зрения. Синхротрон должен помогать налаживать связи внутри научного сообщества в стране и с международным научным сообществом.

С другой стороны, нужно понимать, что примерно 80% пользователей DLS являются учеными и научными организациями из Великобритании. Это связано с тем, что во Франции, в Германии, в Швеции, в Италии существуют свои собственные установки. Вполне естественно, что ученые из этих стран будут использовать свои собственные ускорители, однако те страны, где нет национальных синхротронных центров, могут воспользоваться нашей помощью.         

— Какое самое необычное открытие было сделано на вашем синхротроне?

— На этот вопрос ответить очень сложно, так как у каждого человека есть свои представления о том, что является необычным или экзотическим. К примеру, кто-то сразу начинает думать о динозаврах.  На DLS ученые исследовали яйца динозавров,  кометную пыль.  Множество археологических артефактов, которые мы исследовали, подходят под определение необычных. 

Лично меня больше всего поразила история, связанная с "Мэри Роуз", знаменитым флагманом английского флота времен Генриха VIII Тюдора, который был найден у берегов острова  несколько десятилетий назад и впоследствии был извлечен из воды.

Когда реставраторы начали изучать этот корабль, они поняли, что его древесина начала очень быстро разрушаться после попадания на открытый воздух. Это вынудило реставраторов заново погрузить корабль под воду и начать искать способы его спасения. 

Позже ученые обнаружили, что в этом были "виноваты" бактерии — они проникли в глубинные слои обшивки "Мэри Роуз" и наполнили древесину большим количеством серы. Эта сера, когда корабль был поднят на сушу, начала стремительно окисляться под действием кислорода в воздухе, что и ускорило деградацию судна.

Эксперименты на DLS, начатые в 2008 году, помогли нам понять, как распределены атомы серы и железа в обшивке "Мэри Роуз", что помогло реставраторам подобрать правильный метод ее пропитки при помощи полиэтиленгликоля, вещества, препятствующего окислению серы и дальнейшему разрушению памятника истории.

Для меня вся эта история была интересна не только сама по себе, но и потому, что она привлекла огромное внимание со стороны британского общества, сегодня множество людей приходят посмотреть на корабль. Это пример также хорошо иллюстрирует возможности применения синхротронов.